李 明

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300452)

海洋平臺上部組塊是進(jìn)行油氣鉆采和集輸?shù)闹饕獔鏊鵞1]。為滿足海上油氣的開采、計量分量、原油凈化、天然氣處理以及污水的處理，上部組塊甲板布置了大量的機(jī)械設(shè)備，如透平發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、空壓機(jī)、注水泵等，這些機(jī)械設(shè)備運行時會產(chǎn)生動態(tài)激振載荷。因為這些設(shè)備振動問題嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命，干擾平臺正常的生產(chǎn)，甚至威脅平臺結(jié)構(gòu)的安全運行，所以對機(jī)械設(shè)備引起的振動響應(yīng)進(jìn)行分析，是保證海洋平臺上部組塊安全與設(shè)備運行的重要前提。

目前針對機(jī)械設(shè)備的振動響應(yīng)分析已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。韓文秀等[2]對某平臺 DSM 模塊上的鉆井泵進(jìn)行動力分析與優(yōu)化；黃業(yè)華等[3]研究了海洋平臺往復(fù)壓縮機(jī)的振動特征，給出了往復(fù)壓縮機(jī)振動能量集中的頻率值；Chang等[4]建立了某平臺新型液壓泵的動力分析模型，并對其振動速度和加速度進(jìn)行了分析；王毅等[5-6]給出了各類機(jī)械設(shè)備的振動原理，為海洋平臺振動響應(yīng)分析與評價奠定一定的基礎(chǔ)。本文針對某海洋平臺的復(fù)產(chǎn)設(shè)計方案，根據(jù)其新增的機(jī)械振動設(shè)備，對平臺上部組塊結(jié)構(gòu)的動力特性及振動響應(yīng)進(jìn)行分析，評估了其各種運行狀態(tài)下的振動響應(yīng)大小，為平臺復(fù)產(chǎn)計劃的順利實施提供了技術(shù)保障。

1 某平臺復(fù)產(chǎn)改造方案簡介

本次復(fù)產(chǎn)計劃為我國渤海海域某導(dǎo)管架平臺，涉及的改造全部位于平臺頂層甲板，根據(jù)其復(fù)產(chǎn)作業(yè)的需求，改造方案分為修井方案和防竄方案。其中，修井方案新增的主要設(shè)備為：平臺舉升機(jī)、中央控制室、增壓機(jī)、膜制氮、空壓機(jī)、油箱、材料間、泥漿罐、泥漿泵、BOP、堆場等，其布置方案如圖1(a)；防竄方案是移除平臺舉升機(jī)、堆場、泥漿罐、泥漿泵、BOP等修井設(shè)備，增加泡沫發(fā)生器、熟化罐、柱塞泵、計量泵、吊籠、操作間等防竄工藝所用的設(shè)備，其布置方案如圖1(b)所示。

圖1 平臺復(fù)產(chǎn)方案甲板設(shè)備布置設(shè)計圖Fig.1 Equipment layout drawing for platform production recovery scheme

復(fù)產(chǎn)計劃中振動相對嚴(yán)重的設(shè)備主要為 1臺增壓機(jī)(型號為NPU1800)和2臺空壓機(jī)(型號為XRVS 1050，一用一備)，其中增壓機(jī)濕重為 15t，額定工作頻率為27Hz，布置于頂層甲板火炬臂附近；2臺空壓機(jī)型號相同，濕重 9t，額定工作頻率 30Hz，布置于頂層甲板幾何中心位置，如圖1所示。

2 平臺上部組塊有限元模型

采用 ANSYS軟件建立該平臺上部組塊的有限元模型，如圖2所示。該平臺上部組塊主甲板共3層，高度分別為 EL＋12.5m、EL＋19.5m、EL＋24.5m，原始設(shè)計總重量為 3290.56t。根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)圖紙，建模時，采用 SHELL63單元對平臺各層甲板進(jìn)行模擬，BEAM188單元對梁進(jìn)行模擬，PIPE16單元對斜撐和立柱進(jìn)行模擬，邊界條件取鉸支。板梁復(fù)合彎曲時，考慮到板、梁重的軸不重合導(dǎo)致的偏心問題，建立模型時，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)的真實尺寸，分別賦予梁單元相應(yīng)的偏心值，從而使計算模型和真實結(jié)構(gòu)相吻合。

圖2 上部組塊有限元模型圖2 Finite element model of upper block

按照平臺歷次改造數(shù)據(jù)及本次改造之后的設(shè)備布置方案，采用 MASS21單元對組塊上層甲板施加相應(yīng)設(shè)備載荷，根據(jù)平臺 2種作業(yè)狀態(tài)的改造方案，對應(yīng)得到2種分析模型。

3 振動響應(yīng)分析

3.1 整體模態(tài)分析

采用整體模態(tài)分析，計算得到修井和防竄2種方案下平臺組塊前10階的自振頻率，見表1。可知2種方案下，平臺前 10階自振頻率相差甚微，說明 2種作業(yè)狀態(tài)的設(shè)備布置方案對平臺動力特性的影響較小。修井和防竄方案下平臺的一階自振頻率分別為1.177、1.191Hz，與空壓機(jī)和增壓機(jī)的額定工作頻率相差較遠(yuǎn)，即結(jié)構(gòu)不會發(fā)生自振。

提取 2種方案下平臺上部組塊前 3階的模態(tài)振型，如圖3和圖4所示。不同作業(yè)狀態(tài)對平臺振型的影響亦微乎其微，2種作業(yè)狀態(tài)下平臺上部組塊前3階振型均表現(xiàn)為整體形變，無明顯局部薄弱位置，其中1階振型均為順時針方向的扭振，2階均為沿X軸方向的純彎曲振動，3階均為沿Y軸方向的彎曲振動，并伴有逆時針方向的耦聯(lián)扭振。

表1 平臺前10階模態(tài)頻率Tab.1 First 10 modal frequencies of platform

圖3 修井方案時平臺組塊前三階模態(tài)振型Fig.3 First three modal shapes of platform block in workover scheme

3.2 局部模態(tài)分析

局部模態(tài)分析中將增壓機(jī)和空壓機(jī)局部甲板這2個區(qū)域外的其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備密度設(shè)為 0，即僅考慮其他結(jié)構(gòu)對2個區(qū)域的剛度約束，從而獲得精確模態(tài)分析結(jié)果，最終計算得到 2個區(qū)域結(jié)構(gòu)的前 10階固有頻率值，如表2所示。2個區(qū)域結(jié)構(gòu)的1階自振頻率分別為 14.317、9.296Hz，與增壓機(jī)、空壓機(jī)的額定工作頻率相差較遠(yuǎn)，即結(jié)構(gòu)不會發(fā)生自振。

圖4 修井方案時平臺組塊前三階模態(tài)振型Fig.4 First three modal shapes of platform block in antichanneling scheme

3.3 諧響應(yīng)分析

響應(yīng)分析采用整體模型，以正弦激勵模擬動荷載，根據(jù)平臺不同作業(yè)狀態(tài)組合得到 4種分析工況：工況 1，修井方案下增壓機(jī)與空壓機(jī) A 同時運行；工況 2，修井方案下增壓機(jī)與空壓機(jī) B同時運行；工況 3，防竄方案下增壓機(jī)與空壓機(jī) A 同時運行；工況4，防竄方案下增壓機(jī)與空壓機(jī)B同時運行。

表2 局部結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)頻率Tab.2 First 10 modal frequencies of local structure

選取振動設(shè)備周圍測點對計算結(jié)果進(jìn)行評價，典型測點響應(yīng)結(jié)果和應(yīng)力云圖見圖5和圖6。

圖5 位移響應(yīng)曲線Fig.5 Displacement response curve

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.6 Structural stress cloud

如圖5所示，平臺振動響應(yīng)峰值均發(fā)生在 0.5～16Hz，與增壓機(jī)、空壓機(jī)的額定工作頻率相差較大，即結(jié)構(gòu)不會發(fā)生自振。如圖6所示，在激振頻率下平臺應(yīng)力幅值較小，構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。

3.4 瞬態(tài)響應(yīng)分析

采用ANSYS瞬態(tài)分析方法，計算得到平臺激振設(shè)備附近節(jié)點的振動速度和振動加速度響應(yīng)均方根(r.m.s)值，如表3所示。

表3 平臺振動響應(yīng)結(jié)果Tab.3 Results of vibration response of platform

由表3可知，在所有組合計算工況下，平臺振動速度響應(yīng)均小于規(guī)范允許的 4mm/s；加速度 r.m.s值亦小于規(guī)范允許的 286mm/s2，均滿足 ISO 6954：2000[7]要求。對比4種工況可知，2種方案下，增壓機(jī)與空壓機(jī)B同時運行的振動響應(yīng)均比與空壓機(jī)A同時運行時的響應(yīng)略大，最大響應(yīng)發(fā)生在工況 2，即修井方案下，增壓機(jī)空壓機(jī)B組合運行下，最大響應(yīng)位置位于空壓機(jī)B南側(cè)區(qū)域。

4 結(jié)論與建議

①從平臺上部組塊整體模態(tài)振型和振動設(shè)備局部模型振型圖可知，空壓機(jī)和增壓機(jī)位置局部甲板梁主振型為整體振動，無明顯的剛度薄弱部位。平臺組塊結(jié)構(gòu)一階自振頻率均有效避開了增壓機(jī)與空壓機(jī)的共振區(qū)，故結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振，且具有良好的頻率儲備。

②由幅頻響應(yīng)可知，增壓機(jī)與空壓機(jī)激振頻率均遠(yuǎn)離共振頻率，且平臺在其工作頻率激勵下，位移響應(yīng)很小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于鋼材許用應(yīng)力。

③在不同作業(yè)狀態(tài)和激振設(shè)備組合運行下，平臺振動響應(yīng)最大速度均方根值為小于 4mm/s，滿足要求；最大值加速度均方根值為小于 286mm/s2，亦滿足振動標(biāo)準(zhǔn)要求。

④平臺最大振動響應(yīng)加速度位置位于空壓機(jī) B附近，實際復(fù)產(chǎn)作業(yè)時，建議重點對該區(qū)域進(jìn)行關(guān)注；鑒于增壓機(jī)與空壓機(jī) A組合運行的振動響應(yīng)略小，建議空壓機(jī)B為備用機(jī)。